Temperatura atmosferica
Il profilo verticale della temperatura
Il ruolo del sole nella temperatura atmosferica
L’effetto serra
Risorse
La temperatura dell’atmosfera terrestre varia con la distanza dall’equatore (latitudine) e l’altezza sopra la superficie (altezza). Cambia anche con il tempo, variando da una stagione all’altra, e dal giorno alla notte, così come irregolarmente a causa dei sistemi meteorologici di passaggio. Se si fa una media delle variazioni locali su base globale, tuttavia, emerge un modello di temperature medie globali. Verticalmente, l’atmosfera è divisa in quattro strati: la troposfera, la stratosfera, la mesosfera e la termosfera.
Il profilo verticale della temperatura
Facendo la media delle temperature atmosferiche su tutte le latitudini e per un intero anno si ottiene il profilo verticale medio della temperatura che è noto come atmosfera standard. Il profilo verticale medio della temperatura suggerisce quattro strati distinti (Figura 1). Nel primo strato, noto come troposfera, la temperatura atmosferica media scende costantemente dal suo valore in superficie, circa 290K (63°F; 17°C) e raggiunge un minimo di circa 220K (-64°F;-53°C) ad un’altitudine di circa 6.2 mi (10 km). Questo livello, noto come tropo-pausa, è appena sopra l’altitudine di crociera degli aerei commerciali a reazione. La diminuzione della temperatura con l’altezza, chiamata lapse rate, è quasi costante in tutta la troposfera a 43.7°F(6.5°C) per 0.6 mi (1 km). Alla tropopausa, il lapse rate diminuisce bruscamente. La temperatura atmosferica è quasi costante per le successive 12 miglia (20 km), poi comincia a salire con l’aumentare dell’altitudine fino a circa 31 miglia (50 km). Questa regione di temperature crescenti è la stratosfera. In cima allo strato, chiamato stratopausa, le temperature sono quasi calde come i valori della superficie. Tra circa 31-50 mi (50-80 km) si trova la mesosfera, dove la temperatura atmosferica riprende la sua diminuzione con l’altitudine e raggiunge un minimo di 180K (-136°F;-93°C) nella parte superiore dello strato (la mesopausa), circa 50 mi (80 km). Sopra la mesopausa c’è la termosfera che, come dice il nome, è una zona di alte temperature dei gas. Nella termosfera molto alta (circa 311 mi (500 km) sopra
la superficie terrestre) le temperature dei gas possono raggiungere 500-2.000K (441-3, 141°F; 227-1, 727°C). La temperatura è una misura dell’energia del movimento delle molecole di gas. Anche se hanno un’alta energia, le molecole nella termosfera sono presenti in numero molto basso, meno di un milionesimo della quantità presente in media sulla superficie terrestre.
La temperatura atmosferica può anche essere tracciata in funzione della latitudine e dell’altitudine. Le figure 2 e 3 mostrano tali grafici, con la latitudine come coordinata x e l’altitudine come y.
Il ruolo del sole nella temperatura atmosferica
La maggior parte della radiazione solare è emessa come luce visibile, con porzioni più piccole a lunghezze d’onda più corte (radiazione ultravioletta) e lunghezze d’onda più lunghe (radiazione infrarossa, o calore). Poca della luce visibile viene assorbita dall’atmosfera (anche se una parte viene riflessa nello spazio dalle nuvole), quindi la maggior parte di questa energia viene assorbita dalla superficie terrestre. La Terra viene riscaldata in questo processo e irradia calore (radiazione infrarossa) verso l’alto. Questo riscalda l’atmosfera e, proprio come uno sarà più caldo quando sta più vicino al fuoco, gli strati d’aria più vicini alla superficie sono i più caldi.
Secondo questa spiegazione, la temperatura dovrebbe diminuire continuamente con l’altitudine. La figura 1, tuttavia, mostra che la temperatura aumenta con l’altitudine nella stratosfera. La stratosfera contiene quasi tutto l’ozono dell’atmosfera. L’ozono (O3) e l’ossigeno molecolare (O2) assorbono la maggior parte della radiazione ultravioletta a lunghezza d’onda corta del sole. Nel processo si rompono e si riformano continuamente. Il risultato netto è che le molecole di ozono trasformano la radiazione ultravioletta in energia termica, riscaldando lo strato e causando il profilo di temperatura crescente osservato nella stratosfera.
La mesosfera riprende la diminuzione di temperatura con l’altitudine. La termosfera, tuttavia, è soggetta a radiazioni solari ultraviolette e a raggi X ad altissima energia e di lunghezza d’onda corta. Quando gli atomi o le molecole presenti a questo livello assorbono parte di questa energia, vengono ionizzati
(hanno un elettrone rimosso) o dissociati (le molecole vengono scisse nei loro atomi componenti). Lo strato di gas è fortemente riscaldato da questo bombardamento di energia, specialmente durante i periodi in cui il sole emette quantità elevate di radiazioni di lunghezza d’onda corta.
L’effetto serra
L’energia solare non è l’unico determinante della temperatura atmosferica. Come notato sopra, la superficie terrestre, dopo aver assorbito la radiazione solare nella regione visibile,
Termini chiave
Effetto serra – Il riscaldamento dell’atmosfera terrestre come risultato della cattura del calore re-irradiato dalla Terra da alcuni gas presenti nell’atmosfera.
Radiazione infrarossa -Radiazione simile alla luce visibile ma di lunghezza d’onda leggermente superiore.
Tasso di caduta – Il tasso al quale l’atmosfera si raffredda con l’aumentare dell’altitudine, dato in unità di gradi C per chilometro.
Mesosfera – Il terzo strato dell’atmosfera, situato tra circa 50 e 80 chilometri di altezza e caratterizzato da un piccolo tasso di caduta.
Stratosfera – Uno strato dell’atmosfera superiore sopra un’altitudine di 5-10,6 mi (8-17 km) e si estende a circa 31 mi (50 km), a seconda della stagione e latitudine. All’interno della stratosfera, la temperatura dell’aria cambia poco con l’altitudine, e ci sono poche correnti d’aria convettive.
Termosfera – Lo strato superiore dell’atmosfera, che inizia a circa 50 mi (80 km) e si estende per centinaia di miglia o chilometri nello spazio. A causa del bombardamento di radiazioni solari molto energetiche, questo strato può possedere temperature di gas molto elevate.
Troposfera – Lo strato di aria fino a 15 mi (24 km) sopra la superficie della Terra, noto anche come l’atmosfera inferiore.
Radiazione ultravioletta -Radiazione simile alla luce visibile ma di lunghezza d’onda più corta, e quindi di maggiore energia.
Radiazione a raggi X -Radiazione luminosa con lunghezza d’onda più corta dell’ultravioletto più corto; molto energetica e dannosa per gli organismi viventi.
emette radiazione infrarossa nello spazio. Diversi gas atmosferici assorbono questa radiazione di calore e la re-irradiano in tutte le direzioni, compreso il ritorno verso la superficie. Questi cosiddetti gas serra intrappolano quindi la radiazione infrarossa nell’atmosfera, aumentandone la temperatura. Importanti gas serra sono il vapore acqueo (H2 O), l’anidride carbonica (CO2) e il metano (CH4). Si stima che la temperatura della superficie terrestre sarebbe in media circa 32°C (90°F) più fredda in assenza di gas serra. Poiché questa temperatura è ben al di sotto del punto di congelamento dell’acqua, il pianeta sarebbe molto meno adatto alla vita in assenza dell’effetto serra.
Mentre i gas serra sono essenziali per la vita sul pianeta, di più non è necessariamente meglio. Dall’inizio della rivoluzione industriale a metà del XIX secolo, gli esseri umani hanno rilasciato nell’atmosfera quantità crescenti di anidride carbonica bruciando combustibili fossili. Il livello di anidride carbonica misurato nell’atmosfera remota ha mostrato un aumento continuo da quando la registrazione è iniziata nel 1958. Se questo aumento si traduce in un corrispondente aumento della temperatura atmosferica, i risultati potrebbero includere lo scioglimento delle calotte polari e l’ingrossamento dei mari, con il risultato che le città costiere saranno coperte dall’oceano; spostamenti nel clima che forse porteranno a estinzioni; e cambiamenti imprevedibili nei modelli di vento e meteo, ponendo sfide significative all’agricoltura. Prevedere i cambiamenti che l’aumento dei livelli di gas serra può portare è complicato. L’interazione tra l’atmosfera, gli oceani, i continenti e le calotte di ghiaccio non è completamente compresa. Mentre si sa che parte dell’anidride carbonica emessa viene assorbita dagli oceani e alla fine si deposita come roccia carbonatica (come il calcare), non si sa se questo è un processo costante o se può tenere il passo con gli attuali livelli di produzione di anidride carbonica.